Охрана окружающей среды: биотехнологические основы

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Б.С. Ксенофонтов

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» 
(20.03.01 и 20.04.01)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2022

УДК 504.06(075.8)
ББК 20.18я73
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Охрана окружающей среды: биотехнологические основы : учебное 
пособие / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 
2022. — 200 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-8199-0922-5 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-017131-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103789-8 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии рассмотрены биотехнологические процессы, изучаемые в курсе «Охрана окружающей среды». Последовательно изложены 
теоретические основы культивирования микроорганизмов и наиболее распространенных экобиотехнологических технологий, в том числе биологической очистки воды, биотехнологии очистки почвы и воздуха, а также 
аэробной и анаэробной обработки осадков сточных вод и отходов, образующихся при переработке растительного сырья. Проанализированы возможные пути получения электроэнергии путем анаэробного сбраживания 
осадков сточных вод.
Предназначено для студентов экологических специальностей технических университетов, изучающих курс «Охрана окружающей среды».

УДК 504.06(075.8)
ББК 20.18я73

Р е ц е н з е н т ы:
А.А. Денисов, заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических 
наук, профессор, заведующий отделом Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук;
Е.А. Гладков, кандидат биологических наук, доцент кафедры био технологии Московского государственного машиностроительного 
университета (МАМИ) 

ISBN 978-5-8199-0922-5 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-017131-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103789-8 (ИНФРА-М, online)
© Ксенофонтов Б.С., 2016
© ИД «ФОРУМ», 2016

Введение

В течение последних нескольких десятилетий преподавание в
технических вузах курса «Охрана окружающей среды» имеет тенденцию к повышению его значимости в будущей деятельности инженера.
Особенно это становится актуальным с переходом в РФ (начиная с
2015 года) на внедрение наилучших доступных технологий с точки
зрения экологии. Кроме того, изучение курса «Охрана окружающей
среды» оказывает влияние на формирование «экологического» мировоззрения у будущего инженера.
Поскольку этот курс является в некотором смысле комплексным,
следует выделить его основные части: биотехнологическую и аппаратурнотехнологическую. В большинстве учебных пособий не дается
четких разграничений между данными частями, но нам представляется целесообразным обозначить это различие более четко и изложить
биотехнологические основы курса раздельно, учитывая их базисность.
В связи с этим более подробно изложены первоначальные сведения по микробиологии и биотехнологии, а кроме того, поясняется,
что происходящие в природных условиях микробиологические процессы окисления потенциально могут решать экологические задачи,
но изза высокой техногенной загрузки и отсутствия благоприятных
для жизнедеятельности микроорганизмов условий эти процессы протекают медленно.
Другая особенность состоит в том, что в курсовых проектах, за исключением проекта по водной тематике, как правило, биотехнологические методы очистки практически не используются. Поэтому представляется необходимым в процессе изучения курса уделить особое
внимание использованию биотехнологических методов для очистки
отработанных газовоздушных потоков, почвы и грунтов, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами, а также анаэробному
сбраживанию осадков сточных вод. При рассмотрении микробиологических технологий очистки почвы и грунтов следует больше внимания уделять использованию аборигенной микрофлоры и фауны путем

создания оптимальных условий их жизнедеятельности, подчеркивая
при этом невысокую эффективность применения искусственных
штаммов микроорганизмов, что часто имело место в отечественной и
мировой практике в конце прошлого века. Следует отметить также необходимость полноценного питания для аборигенных микроорганизмов и иммобилизации их на специальных природных сорбентах, например на предварительно обработанном торфяном сырье, клиноптилолите и т. п.; использования различных микрои макроэлементов;
обеспечения режимов оптимального влагосодержания.
Особенность очистки газовоздушных выбросов заключается в нахождении эффективного искусственного штамма микроорганизмов
для очистки от специфических органических загрязнений и создании
оптимальных условий их жизнедеятельности, включая режим влагосодержания. Отечественная практика свидетельствует о немногочисленности примеров использования биотехнологических методов очистки
газовоздушных выбросов. Однако в отдельных случаях этот способ является чуть ли не единственным. Об особенностях биотехнологического способа для очистки газовоздушных выбросов необходимо информировать слушателей, указывая также на его преимущества перед
другими и в первую очередь на его природное происхождение и в большинстве случаев на безопасную эксплуатацию.
В практике обработки осадков все чаще используется анаэробное
сбраживание, при этом образуюется газ, являющийся эффективным
энергоносителем, что дает основания для создания на очистных сооружениях миниТЭС. Такой автономный источник электроэнергии
позволяет эксплуатировать очистные сооружения в аварийных ситуациях. Это имеет особенно важное значение для очистных сооружений, когда сточные воды сбрасываются в водоемы, например, рыбохозяйственного назначения.
В последние годы во многих развитых странах мира интенсивно
проводятся исследования по использованию экологически чистого
биотоплива для двигателей внутренного сгорания, практически не
создающих вредных отработавших газов, что может значительно
улучшить экологическую обстановку в больших городах, где автомобильный транспорт является существенным загрязнителем атмосферного воздуха.
Таким рбразом, перечисленные проблемы указывают на целесообразность более подробного ознакомления слушателей с использованием биотехнологических методов для защиты окружающей среды.

4
Введение

Глава 1
ЧЕЛОВЕК И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Окружающая среда оказывает значительное влияние на жизнедеятельность человека. Особое влияние проявляется в случае повышенной загрязненности окружающей среды, поскольку при этом
происходит угнетение жизнедеятельности человека.
Согласно определению, представленному в ФЗ «Об охране окружающей среды» № 7 от 10 января 2002 г. (ст. 1), окружающая среда —
совокупность компонентов природной среды, природных и природноантропогенных объектов, а также антропогенных объектов; а природная среда (далее также — природа) — совокупность компонентов
природной среды, природных и природноантропогенных объектов; и
в свою очередь компоненты природной среды — земля, недра, почвы,
поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в
совокупности благоприятные условия для существования жизни на
Земле. Если указанная выше совокупность компонентов не угнетает
жизнедеятельность человека, то такие условия являются допустимыми и согласно указанному выше закону в целом «благоприятная окружающая среда — окружающая среда, качество которой обеспечивает
устойчивое функционирование естественных экологических систем,
природных и природноантропогенных объектов» (URL: http://www.
consultant.ru/document/cons_doc_LAW_171268/).
Качество окружающей среды оценивается специально введенными нормативами.
Согласно указанному закону «нормативы качества окружающей
среды — нормативы, которые установлены в соответствии с физическими, химическими, биологическими и иными показателями для
оценки состояния окружающей среды и при соблюдении которых
обеспечивается благоприятная окружающая среда;

нормативы допустимого воздействия на окружающую среду —
нормативы, которые установлены в соответствии с показателями воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду
и при которых соблюдаются нормативы качества окружающей среды;
нормативы допустимой антропогенной нагрузки на окружающую
среду — нормативы, которые установлены в соответствии с величиной допустимого совокупного воздействия всех источников на окружающую среду и (или) отдельные компоненты природной среды в
пределах конкретных территорий и (или) акваторий и при соблюдении которых обеспечивается устойчивое функционирование естественных экологических систем и сохраняется биологическое разнообразие». Последнее включает в том числе и жизнедеятельность микроорганизмов.
Рассмотрим влияние антропогенных факторов на природную окружающую среду. Антропогенные факторы — это изменения, происходящие в окружающей среде в результате хозяйственной деятельности человека. Под загрязнением окружающей среды понимается поступление в нее любых твердых, газообразных или жидких веществ,
микроорганизмов либо тепловой, электромагнитной, радиационной,
звуковой и других видов энергии. Виды загрязнений весьма многообразны. Основные из них: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; попадание в водную среду всевозможных производственных и
коммунальнобытовых отходов, нефтепродуктов, минеральных солей;
засорение ландшафтов мусором и твердыми отходами; широкое применение пестицидов; повышение уровня ионизирующих излучений;
накопление тепла в атмосфере и гидросфере. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства шла до недавнего времени по экстенсивному пути без учета экологических последствий. Химическое загрязнение — один из основных факторов неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду и ее
обитателей, в том числе на микроорганизмы. В окружающую среду
выбрасывается большое количество различных химических веществ, в
том числе полученных путем синтеза. Ежегодно производятся десятки
миллионов тонн неизвестных синтетических материалов. В почвы
вносится огромное количество минеральных удобрений и химических
веществ для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.
Одни из этих соединений не разлагаются естественным путем или
же разлагаются частично, другие очень медленно. Неразложившиеся
остатки радиоактивных и органических соединений накапливаются в

6
Глава 1. Человек и окружающая среда

различных объектах внешней среды. При этом возникает опасность
их попадания в пищевые продукты, а с ними в организм человека.
В атмосферу ежегодно выбрасываются сотни миллионов тонн оксидов азота и серы, углекислоты, твердых и жидких взвешенных частиц (аэрозолей), миллионы тонн газообразных органических веществ.
Загрязнение атмосферы приобретает глобальный характер, что приведет к возможному изменению климата, увеличению потока жесткой
УФрадиации на поверхности Земли, увеличению числа заболеваний
среди людей.
Антропогенное загрязнение почв связано с твердыми и жидкими
отходами различных видов промышленности, добычи полезных ископаемых, строительства, городского хозяйства и сельскохозяйственного производства. Для Российской Федерации особое значение приобрели проблемы загрязнения почвы нефтепродуктами и тяжелыми
металлами, а также бытовыми отходами.
Из всех сред обитания (атмосфера, почва, вода) наибольшим воздействиям со стороны человека подвержена вода. При этом загрязнения, выбрасываемые в атмосферу или вносимые в почву в трансформированном или неизменном виде, поступают в водоемы. За счет выпадения
осадков
и
в
период
весеннего
половодья
вместе
с
поверхностным стоком в воду попадают загрязняющие вещества. Загрязнение природных вод связано также с использованием водных
ресурсов в промышленности и сельском хозяйстве, в энергетике, на
хозяйственнобытовые нужды, в связи с развитием водного транспорта, мелиоративных преобразований и т. д. После использования вода
возвращается в природные водные объекты, неся в себе следы воздействия в виде изменения химического состава, температуры, биологического загрязнения (множество микроорганизмов, в том числе и патогенных).
Для ирригации, промышленного производства, бытового снабжения отбирается более 10 % речного стока и сбрасывается в водоемы
ежегодно сотни миллиардов кубических метров промышленных и
коммунальных стоков. Их нейтрализация требует 5—10кратного, а в
отдельных случаях и большего разбавления чистой водой.
Способы и пути борьбы с антропогенным загрязнением окружающей среды разнообразны. Среди них строительство очистных
сооружений, установка пылегазоулавливающих фильтров, создание
безотходных и малоотходных технологий, утилизация отходов и использование их в качестве вторичного сырья для получения полезГлава 1. Человек и окружающая среда
7

ной продукции, применение замкнутых циклов водоиспользования,
применение биологических методов борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных и лесных растений, оптимизация режима использования техники, поиски новых видов топлива и источников энергии и др. Важное значение при выборе способов и средств
защиты окружающей среды имеет применение биотехнологических
процессов, одним из условий успешного использования которых является создание оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов.

8
Глава 1. Человек и окружающая среда

Глава 2
МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Хорошо известно, что важнейшая особенность микроорганизмов
заключается в их способности приспосабливаться к изменяющимся
условиям окружающей среды. В процессе эволюции микроорганизмы
адаптировались к самым различным экологическим условиям. Из литературных источников известны многие примеры осуществления
жизнедеятельности микроорганизмов в экстремальных условиях.
Так, известны бактерии, размножающиеся при весьма высоких температурах, например при 65—75 °С; микроорганизмы, растущие при
температуре −6 °С; размножающиеся в среде, содержащей до 25 %
NaCl; бактерии, которые обитают в воде, охлаждающей атомные реакторы, и переносят большое облучение; дрожжи, живущие в меде и
варенье; бактерии, размножающиеся в кислых средах при pH 1,0 или
выдерживающие давление в несколько сот атмосфер и т. п. Необычайная устойчивость микроорганизмов к различным факторам внешней среды позволяет им занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте океана на глубине около 11 км, на поверхности
ледников и снега в Арктике и Антарктике и высоко в горах, в почве
пустынь, в атмосфере на высоте 20 км. Все среды биосферы буквально пронизаны микроорганизмами. Вездесущность микробов объясняется их уникальной способностью находить и утилизировать самые
ничтожные источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает
удивительную адаптацию микробов к условиям обитания, гибельным
для любых других живых существ. Исключительно интенсивная жизнедеятельность огромного числа разнообразных микроорганизмов
является важнейшим фактором обеспечения динамического равновесия земной биосферы.
Основные среды обитания микроорганизмов в природе — почва,
вода, воздух, животные и растительные организмы. Кожные покровы

человека и сообщающиеся с внешней средой слизистые оболочки
плотно колонизированы микробами. Микроорганизмы обитают
обычно в виде сложных ассоциаций — биоценозов, представленных
разными видами. Поддержание эволюционно сложившихся взаимоотношений между отдельными видами, а также между биоценозами и
внешней средой чрезвычайно важно для существования всего царства
протистов, в том числе и прокариот — бактерий и цианобактерий.
Доказано, что бактерии способны самостоятельно обеспечить основные функции живого вещества, которые необходимы для дальнейшего существования биосферной оболочки нашей планеты. К таковым
относят: энергетическую, концентрационную, деструктивную и средообразующую функции. Только благодаря активной деятельности
бактерий реализуется замкнутый характер круговорота азота и углерода как обязательных конструктивных элементов биосферы.
Микроорганизмы могут осуществлять разрушение и обезвреживание различных загрязнений почвы, воды и воздуха.
Почва является естественной средой обитания микроорганизмов. Они находят в почве все условия, необходимые для развития:
пищу, влагу, защиту от губительного влияния солнечных лучей и высушивания.
Микрофлора почвы по количественному и видовому составу значительно колеблется в зависимости от региональных и климатических условий, химического состава и физических свойств почвы, реакции (рН), температуры, влажности, степени аэрации. Существенно
влияют также время года, агротехнические мероприятия, характер
растительного покрова и многие другие факторы.
Микроорганизмы распространены по горизонтам почвы неодинаково. Меньше всего микроорганизмов содержится обычно в самом
поверхностном слое почвы толщиной несколько миллиметров, где
они подвергаются неблагоприятному воздействию солнечного света и
высушиванию. С глубиной почвенного слоя изменяется видовой состав микрофлоры. В верхних слоях почвы, содержащих много органических веществ и подвергающихся хорошей аэрации, преобладают
аэробные сапрофитные организмы, способные разлагать сложные органические соединения. Чем глубже почвенные горизонты, тем беднее они органическими веществами, доступ воздуха в них затруднен,
поэтому здесь численность анаэробных бактерий увеличивается.
Микрофлора почвы представлена разнообразными видами бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и простейших животных.

10
Глава 2. Микроорганизмы и окружающая среда